中國科學技術大學物理學院天文學系教授、博士生導師蔡一夫

　　新浪財經訊 CC講壇第30期于2019年4月13日在北京東方梅地亞中心M劇場舉行，中國科學技術大學物理學院天文學系教授、博士生導師蔡一夫出席并演講，題目為《宇宙與生命智慧》。

　　探索宇宙、尋找暗能量，他說：人類最不可理解的是，人類可以理解宇宙。

　　以下為演講實錄：

　　蔡一夫：今天和大家聊的話題，是我們人類作為智慧生命的典型性的代表，與我們生活的宇宙之間，到底是什么樣的關系？我們人類是否是處在宇宙的中心呢？

　　關于這個話題的探索，推動了我們人類文明史的不斷發展，特別是追溯到大約2000多年前，我們還處在古希臘一個先賢所生活的哲學時代的時候，成系統的建立起了一個叫做“地心說”的觀點，而且這個宇宙觀統治了我們人類對世界的認知大約1500多年。一直到15世紀由哥白尼提出了“日心說”，把我們人類所生活的地球從宇宙的中心請到了一邊，取而代之的是太陽。哥白尼的“日心說”提出之后，它啟發了另外一位偉大的科學家伽利略。伽利略基于長期的實驗觀測以及經驗歸納，他提出了一個“絕對慣性系”的概念。伽利略同時也是第一位將望遠鏡的目光投向太空用于天文觀測，而這一事件，正式標志著我們人類文明史上的現代科學的第一門學科——天文學的誕生。

　　伽利略又啟發了另外一位科學史上的巨匠牛頓。牛頓基于“絕對慣性系”觀點提出了“絕對時空觀”的概念，并且整理出來了“牛頓三大定律”。無論是哥白尼、伽利略、還是牛頓，他們這些前輩們的貢獻，為后來我們大約兩百多年的物理科學的持續和繁榮發展奠定了堅實的基礎。特別是牛頓，他為了論證我們是生活在一個絕對時空當中的觀點的成立，提出了一個所謂“牛頓水桶”的理想實驗，并且非常得意地論證說，我證明了宇宙的絕對時空的存在。但是很快他的這個觀點，被另外一位年輕的科學哲學家馬赫提出了置疑。馬赫的置疑啟發了另外一位科學史上的一位巨匠愛因斯坦。愛因斯坦認為我們的時空并不需要是絕對時空，而是一個相對的時空。人類在一個有引力的環境下，例如說在地球表面我們每天看見的車水馬龍，這都是一些運動的物體。根據這些運動物體，去總結出他們的運動規律。然后我們把人關在一個封閉的火箭中，并且把它發射到外太空，那么在這個加速的火箭當中，他如果同樣去做物體運動的這些實驗，他所歸納總結出來的規律，應當和我們生活在地球表面的規律是一樣的。這就意味著我們沒有一個所謂的“絕對時空”的概念，所以在1905年的時候，愛因斯坦就提出來了“狹義相對論”，建立起了一個相對論的時空觀，并在那之后十年的時間，把這個理論推廣發展成了“廣義相對論”。

　　在廣義相對論的框架下他進一步認為，我們宇宙的時空是可以發生彎曲的。他說我們不需要引力，之所以我們看到有所謂的引力效應，是因為太陽將他周邊的時空發生了彎曲，而發生彎曲的原因是太陽是有質量的，地球所選擇的一條軌跡，只不過是在它看來最便捷、最直接的一條途徑。在此之后，他的理論做出來了一系列重要的預言，包括愛因斯坦本人在1916年做出的一個理論預言：彎曲的時空當中是可以存在引力波的。這一理論預言經歷了整整一百年的努力，到2016年由美國的激光干涉引力波實驗室天文臺，通過雙黑洞并合的方式驗證了引力波的存在。既然愛因斯坦認為我們的時空是可以彎曲的，如果把它應用到我們宇宙的時空當中，我們還需要認為我們的宇宙是一個靜態宇宙嗎？這個觀點事實上最早也是一個哲學上的思辨觀點，并且它影響了一代又一代偉大的科學家，包括牛頓、愛因斯坦，特別是愛因斯坦在早期提出廣義相對論后，他應用到宇宙背景的時候，他提出來的第一個宇宙學模型，是描述了一個靜態宇宙學模型，并且為此他還引入了一個叫做“宇宙學常數”的一個參數，來保持這個宇宙是靜態。最后事實證明這是他的一個錯誤，所以他把這個東西給拋棄了，并且他還說這是他一生中犯過最大的錯誤。

　　關于宇宙是否是靜態，還有另外一個討論，就是所謂的“奧伯斯佯謬”。奧伯斯佯謬有幾個假設：第一，他認為我們宇宙是無窮大的；第二，他認為我們宇宙是永恒的；第三，他認為宇宙空間是平坦；最后，他認為如果我們宇宙是靜止的話，太陽下山夜幕降臨的時候，生活在地球上的我們抬起頭去看夜空的時候，我們理應看到的是一個綴滿各種星光的，非常非常之璀璨的夜幕，而不是今天我們看到的這么一個零零散散的綴著幾顆星的夜幕。這是因為如果我們沿著任何一個角度，任何一個方向望過去，總會在有限的時間內遇上一顆星，而這顆星所發出的星光，應當早就照射到地球表面。當然我們沒有看到這一幕，所以這背后一定有地方是錯誤的，在哪兒出了錯呢？

　　在1930年，一位偉大的美國天文學家哈勃，他用自己研制的當時非常先進的一個光學望遠鏡，對于近鄰星系中的造父變星進行觀測，他意外發現，這些造父變星正在遠離我們而去，并且他還發現，這些星系，如果離我們越遠的話，他退行速度會越快。這就意味著，我們的宇宙不是靜態的，而是一個膨脹的宇宙。在足夠遙遠的這些星系，如果它們的星光照射過來，但是由于我們的宇宙本身是膨脹的，那么這些星光是永遠照射不到我們的地球之上的，這就解釋了奧伯斯佯謬的困難。那么這個發現是不是意味著，我們人類又回到了宇宙的中心呢？為了理解這個問題，我們需要把我們人類這個智慧生命對宇宙的認知的眼光，放到更大的尺度，我們不僅僅要停留在一個鄰近星系，我們要把它直接拉到例如可觀測的一個宇宙尺度，例如說有三百億光年的一個尺度，那么我們會發現，我們的宇宙事實上在這個大的尺度上，是滿足各向均勻，各向同性的性質的，也就是說你在做星際旅行時，跑了幾十億光年之后，你會發現所看到的結構，所看到的一幕，跟你之前的出發點沒有太大的區別，這叫做宇宙學原理，并且它得到了一系列的實驗觀測的證實。有兩個很重要的證據，一個是宇宙在創生之后大概38萬年的時候，給自己做了一個自拍照，叫做宇宙微波背景輻射。還有一個就是我們直接用光學或者射電望遠鏡對我們的宇宙的這些星系結構進行掃描，得到了一個所謂的大尺度結構巡天的宇宙地圖。無論是哪一個地圖都告訴我們，我們的宇宙是滿足各向均勻各向同性的。因此盡管我們人類所生活的環境似乎在一個近鄰的退行環境當中是一個中心，但是放眼在整個可觀測宇宙的范圍，它并不是一個宇宙的中心。

　　我們有了宇宙學原理、有了廣義相對論，我們還有了一系列天文學、宇宙學觀測技術，我們理論上就可以猜測我們宇宙的空間，它可能是一個開放的，可能是一個閉合的，也可能是一個平坦的。那么對于不同的這些模型，它所給出的宇宙地圖，也就是宇宙微波背景輻射的這張照片，樣子應該是不一樣的。那么我們把這個照片、理論上預言出來的照片，和我們真實宇宙自拍的一張照片進行比較，發現我們的宇宙時空是接近于平坦的。

　　我們還可以通過今天宇宙演化的狀態，隨著時間進行反演去追溯，可以對宇宙進行考古，去了解我們宇宙在過去，曾經發生過的各種歷史。我們有理由相信我們宇宙，是經歷了一百三十八億年的一個熱膨脹的歷史，而在一百三十八億年前的時候，我們也有理由相信，我們的宇宙有可能是來自叫做熱大爆炸奇點的一個時空奇點。在那之后大約10-30秒的時間里面，我們宇宙的體積被放大了1080倍，這叫做暴漲。而在之后大約38萬年，宇宙在它的嬰兒時期給自己做了一個自拍照，也就是宇宙微波背景輻射的由來。在這之后，我們的宇宙曾經經歷過一個不大不小的叫做黑暗時代的時期，大約四億年后，第一代恒星被點燃，并且之后，我們的宇宙就開始了非常之波瀾壯闊的，尺度結構的形成與演化的過程，包括我們后來銀河系，以及銀河系中的太陽系，再包括地球的誕生，都是源自這么一個時代。

　　我們還發現今天的宇宙，正在經歷一個讓大家覺得很意外的狀態，就是加速膨脹的一個狀態。推動加速膨脹的一個成分，叫做暗能量。例如在座各位，我們用肉眼能看到的一切，都把它叫做可見物質。我們發現在宇宙中可見物質所占的比分，竟然不到5%，而剩下的95%的宇宙被稱之為黑暗宇宙，因為這95%的比分中，有25%是暗物質，還剩下70%，就是最主要的部分全部都是暗能量。暗能量的最重要的作用，就是為了解釋我們今天的宇宙正在經歷的加速膨脹的過程。而這個發現是由三位科學家在1998年帶領的兩個超行星觀測小組，進行實驗最終揭示的一個現象。在之前，這兩個組分別都是期待著測量我們宇宙是在減速，并且定義了一個減速因子，但是實驗發現，這個結果是負的，當時令所有的宇宙學家、物理學家都非常之震驚，也因為如此他們的發現被授予了2011年的諾貝爾物理學獎。我們了解了我們的宇宙正在加速膨脹，并且背后驅動它的是暗能量。通過暗能量的觀測，我們能夠對宇宙的命運進行一個小小的窺視。

　　在1998年發現暗能量后，很快就有一些物理學家，例如說Paul Steinhardt，他建議說，我們可能是一個標量場，我們把它叫做精質場模型，精質場是通過自己的勢能去推動宇宙今天的加速膨脹。這就意味著，在未來有限的時間，例如說一百億年甚至一百五十億年之后，它的能量會耗散掉，也就意味著我們宇宙最終還是會回到一個減速，并且在一個有限的時間內會收縮，最終所有的物質會坍縮到一個點上。所以我們把這個命運，叫做大坍縮的命運。

　　還有一個有趣的模型叫做幽靈模型，這個模型是以我的一個忘年交的朋友Robert Caldwell，一位美國的物理學家為代表。幽靈模型非常有趣的是，它會讓我們的宇宙不僅是在經歷加速膨脹，而且這個加速度也在變大，也意味著在未來有限的時間，例如說兩百億年甚至三百億年之后，我們的宇宙所有的一切，都會被撕成粉碎，包括我們已知的這些原子分子，這些基本粒子最終會被撕得粉碎，我們把這個命運叫做大撕裂。

　　從這兩種命運大家可以看出來，似乎我們宇宙要么就是大坍縮，要么就是大撕裂，總是逃不過一個時空的奇點問題。在2003年的時候，我們中國的宇宙學家作出了一個非常重要、在國際上的貢獻，就是以我的博士導師張新民老師為代表的一幫中國宇宙學家，提出了一個新的模型，叫做精靈模型。從這個名詞上大家可以看出來，精靈模型是精質模型和幽靈模型的結合。后來在2006年、2007年時，我和我的導師在一起，指出這一類模型會給出一個新的宇宙演化的命運，就是一個振蕩宇宙的命運。

　　不管是哪一種模型，它都是動力學，都會讓宇宙在不停地演化。但是回到前面我所提到的1920年，愛因斯坦提出第一個宇宙學模型的時候，他引入了一個叫做“宇宙學常數”的東西。1998年我們發現宇宙加速膨脹的時候，我們非常尷尬地發現沒有任何一個模型能夠解釋它，于是我們就在尋找過往的文獻當中，在愛因斯坦的一個廢紙簍里找到了這個宇宙常數。我們發現，對它做一個小小的調整，它就能夠解釋我們宇宙加速膨脹，這也通常被解釋為是來自一個真空能的概念，而且它認為我們宇宙的命運，是將進入一個所謂的永恒的加速膨脹。一個永恒的加速膨脹，意味著什么呢？

　　假如說我們人類作為智慧生命的一種，生活在銀河系這種星系環境中，在遙遠的一個宇宙的角落，有另外一個智慧生命。他們也生活在一個宜居的星系當中，也許有一天，我們會通過電磁信號，或者引力波信號，甚至通過量子信息來進行通訊。我們總會遇到另外一個智慧生命，并且與之交朋友，但是如果我們宇宙始終在永恒地加速膨脹，就意味著，我們所發射出來的訊息，和接受訊息的時間會越來越長，并且在最終有限的時間內，我們永遠聽不到來自另外一個星系的智慧生命的訊息。我們可以說，我們生活在我們的一個宇宙，而他們生活在他們的一個宇宙，這就是所謂的多宇宙的一個理論。

　　難道智慧生命代表的人類，真的就是宇宙的中心嗎？為了解釋我們今天所看到的宇宙，有一種學說叫做“我在故我思”的人擇原理，持這種觀念的宇宙學家、物理學家有很多，我在這里只是引用了一個朋友，就是布萊恩·葛林，他說我們宇宙之所以看起來像今天我們所看到的這個樣子，是因為如果我們對宇宙學常數進行一個精細的調節，例如說在小數點后一百二十個零后做一個小小的調整，那么這個宇宙都不會像今天這個樣子，于是就沒法通過在這個環境當中，去用那些宇宙中的塵埃去篩選演化，去形成智慧生命，例如我們人類。如果沒有這些人類的話，我們又怎么可能站在這兒去問這樣的一個問題呢？

　　接下來我們想給大家呈現的，是我的一個觀點，我認為：在這個宇宙中，最難以想象，最令人不可思議的是，源自宇宙的塵埃當中的我們人類，卻有能力去認知、去了解如此浩瀚、如此廣闊的宇宙。

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責任編輯：謝長杉